25/07/2016 Новости институтов

Новосибирские учёные разрабатывают лазеры в зелёном диапазоне

568 ИФП СО РАН СО РАН НГУ Инновации Физика Новосибирск ​Сотрудники Института физики полупроводников СО РАН и лаборатории молекулярной фотоники НГУ занимаются одним из самых актуальных на сегодня направлений в области лазерных технологий — созданием зелёных светодиодов и лазерных диодов (за синие светодиоды в 2014 году ученые из Японии и США получили Нобелевскую премию).

Новосибирские физики разрабатывают светодиоды и твердотельные лазерные диоды на основе эффекта зелёной люминесценции при оптических переходах через уровни дефектов кристаллической решетки в слоях алюминия-галлия нитрида (AlGaN), сильно легированных донорами.

Учёные из Института физики полупроводников (ИФП) СО РАН и лаборатории молекулярной фотоники НГУ работают над созданием лазеров в зелёном диапазоне (520–550 нм) — разрабатывают их на основе люминесценции, которая наблюдается в слоях соединения нитрида алюминия-галлия, легированных донорами.

Спектр применения зелёных лазеров очень широк: они могут использоваться в наземных и подводных локаторах, дальномерах, системах посадки самолетов и проводки судов, устройствах указания и топографического визирования, скоростной интерферометрии и фотографии, проекционного телевидения, аппаратуры диагностики живых клеток и т. д.

На основе выявленного эффекта можно создавать сверхбыстрые лазеры с длительностью световых импульсов порядка 10^–15 секунды.

В 2014 году физики из Японии и США Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура получили Нобелевскую премию за создание синих светодиодов на основе нитрида галлия — дешевых и экологичных источников света.

По словам выпускника НГУ, инженера Института физики полупроводников СО РАН Игоря Осинных, соединение нитрида галлия — полупроводник с шириной запрещенной зоны при комнатной температуре 3,4 эВ (≈365 нм), что соответствует ультрафиолетовому диапазону. Для создания синих светодиодов (диапазон 400–450 нм) к нитриду галлия добавляли индий для уменьшения ширины запрещенной зоны.

Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не могут обладать электроны в полупроводникеИгорь Осинных отмечает, что после разработки синих светодиодов следующей задачей стало создание зелёных светодиодов. Однако работы в этой области встречают на своем пути ряд трудностей:

— Если к нитриду галлия, например, продолжать добавлять индий для того, чтобы получить зеленый светодиод, находящийся в более длинноволновом диапазоне, возникает проблема формирования квантовых ям. Первая проблема в сильных встроенных электрических полях — расталкивание электронов и дырок, из-за чего падает эффективность излучения, вторая — в плохой растворимости нитрида индия в нитриде галлия, из-за чего происходит разделение фаз, что ведет к деградации приборов.

Квантовая яма — участок полупроводника, внутри которого потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, за счет движение электрона ограничено в одном измеренииМожно было бы подойти с другой стороны — со стороны красных лазерных диодов на основе фосфидов (алюминия-галлия фосфид и алюминия-галлия-индия фосфид), но при получении зелёных диодов в этой системе соединение AlGaInP трансформируется из прямозонного полупроводника в полупроводник с непрямой запрещенной зоной, величина которой составляет всего 2,33 эВ (≈530 нм).

Подобраться не получилось ни с «синей», ни с «красной» стороны — надо было искать новые решения. И группа учёных во главе с заведующим лабораторией мощных газовых лазеров ИФП СО РАН Дмитрием Закревским, ведущим научным сотрудником института Константином Журавлевым (лаборатория молекулярно-лучевой эпитаксии соединений A3B5) и главным научным сотрудником института Петром Боханом приблизилась к ответу. Они выяснили, что дефекты в слоях соединения нитрида алюминия-галлия (с содержанием алюминия более 50%), легированных донорами, дают эффект очень яркой люминесценции, причем в широком спектральном диапазоне — практически весь видимый свет, от фиолетового до красного. Легирование донорами в данном случае — внедрение атомов кремния в кристаллическую решетку AlGaN из соединений кремния с водородом (силанов).

Как часто бывает со значимыми открытиями, исследователи обнаружили эту интенсивную люминесценцию почти случайно. Инженер лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии соединений A₃B₅ ИФП СО РАН Тимур Малин стал использовать силан вместо кремниевых тиглей для легирования на ростовой установке, и это было сугубо технологической задачей (прим. — эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого).

Игорь Осинных рассказывает, что в агрессивной аммиачной среде кремниевый тигель покрывается пленкой нитрида кремния, словно поверхность расплавленного металла слоем окислов на открытом воздухе — из-за этого поток распыляемого кремния падает до нуля за несколько циклов роста. В конкурентной технологии эпитаксиального роста кристаллов — газофазной эпитаксии — источником легирования является силан, и такой проблемы не возникает, поэтому Тимур Малин внедрил эту «фишку» для своей установки. Поначалу он подавал мощные потоки силана при росте AlGaN. Известно, что в составах с содержанием алюминия от 60 % при очень высоких концентрациях легирующего кремния падает проводимость, поэтому технологи сознательно не используют такие пропорции. Но новосибирские ученые невольно «попали» в эту область, и когда поместили выращенные слои AlGaN под электронный пучок, то увидели очень яркое свечение. Теперь большие потоки силана в ростовой камере подают специально.

Игорь Осинных занимается исследованием природы центров, ответственных за появление полосы, методом фотолюминесцентной спектроскопии. Статья Characterization of the green band in photoluminescence spectra of heavily doped Al_xGa_1-xN: Si with the Al content x > 0.5 опубликована в журнале Japanese Journal of Applied Physics.

В частности, уже выяснено, что при содержании 60–70% алюминия (по отношению к галлию) в соединении интенсивность зеленого свечения достигает своего максимума.

Дальнейшие исследования показали, что в зависимости от содержания алюминия (по отношению к галлию) люминесценция проходит практически весь спектральный диапазон от оранжевого света (при 50%) до фиолетового (100%). На данный момент проводятся измерения коэффициента усиления активной среды (очень важного параметра для создания лазера), первые результаты дают достаточно большую величину этого параметра порядка 70 см^-1, что вселяет в исследователей оптимизм. Также идёт работа над выяснением природы дефектов, дающих зелёную люминесценцию.

Наконец, близится к завершению изготовление опытного экземпляра зелёного светодиода на основе AlGaN, который должен продемонстрировать эффективность использования этого альтернативного материала для светоизлучающих устройств.

Анастасия Аникина